任亮 博士 飞鹤奶牛养殖集团繁育经理
张廷青 博士
如前文所述，近年来奶牛场对种用公牛选择和后备牛留养选择均发生了天翻地覆的变化，这些变化是通过基因组选择技术来实现的。该项技术导致了成千上万的DNA标记被发现，这些DNA标记又被称为单核苷酸多态性或SNPs。开发出依赖DNA标记信息分析结果来预测育种值的这项现代育种先进技术，随着其分析成本逐渐降低而日益商用化。基因组选择技术是指基于基因组育种值(GEBV)的遗传改良选择决策。本文将继续简洁介绍“为什么要应用基因组检测技术”的基本常识。在讨论基因组选择技术之前，也有必要了解传统后裔测定选择技术的重要性。以前，后裔测定选择技术当之无愧是促进奶牛遗传改良较快进展的重器，它是通过评估广泛使用的最优秀公牛及其后代的表现来实现的。
什么是后裔测定选择技术？国内目前业已非常熟悉并习惯使用验证公牛，其实验证公牛就是通过后裔测定选择技术遴选出来的优秀种公牛。后裔测定有以下三个目的：
（1）为育种公司选择优秀人工授精公牛提供依据。
（2）为有效遗传评估提供关键性的大量数据。
（3）通过准确的评估来培育出更多的可以在人工授精中广泛使用的公牛。将经过后裔测定得到的精英母牛群体和最好的公牛进行配种，并将其子代公牛纳入后裔测定项目，基于其后代女儿的表现数据，从而确定哪些子代公牛遗传了亲本的优良基因。对子代公牛来说，其从青年公牛变为验证公牛的基础就是其后裔测定的数据。并且验证公牛（有后代的公牛）长期以来也被作为培育下一代公牛的父本。虽然后裔测定已经成功地为各育种公司培育出大量优秀人工授精公牛，但培育时间漫长，一般需要花费逾三年时间，并且培育成本昂贵，这自然导致评估公牛数量有限，难免挂一漏万。
什么又是基因组选择技术呢？这并非一句话能够阐述清楚，这需要读者重新复习分子遗传学一些最基本的ABC，本文在此只简单交代几个最基本必须知道的概念。
（1）什么是DNA（脱氧核糖核酸）标记（DNA Marker）？
其定义为：在基因组中的位置业已被确定的基因或DNA片段称为DNA标记，其是一个特异性DNA序列，靠近我们感兴趣的基因位点，是可遗传并可检测的DNA序列。同道们可简单理解为：我们感兴趣的奶牛性状可通过测定相关DNA标记而获知被检测个体对应性状的遗传潜力评估。
（2）什么是SNP（单核苷酸多态性:Single Nucleotide Polymorphism；SNP）标记？
西方科学家于1996年提出SNP标记概念，也称为第三代DNA遗传标记。SNP是指同一位点的相异等位基因之间仅有个别核苷酸的差异或只有小的插入、缺失等（参见图1和图2）。SNP标记就是从分子水平上对单个核苷酸的差异进行检测，从而能够精确地区分两个个体遗传物质的差异。检测SNP的最佳方法是 DNA 芯片技术。
图1.显示三头母牛的SNP系碱基不同所致，这些均可检测。
图2.碱基的不同会使SNP和等位基因出现差异，也是可以检测的。
（3）什么是DNA芯片？
通俗地说，DNA芯片是通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针）有规律地排列固定于2平方厘米（如载玻片大小）的硅片或玻璃片等支持物上，构成一个二维的DNA探针阵列，与电子计算机上的电子芯片十分相似，所以被称为DNA芯片。目前牛类动物常用的基因组检测为具有5万左右SNP的DNA芯片，也称50KDNA芯片（图3）。如何制作DNA芯片、DNA芯片检测原理和DNA芯片检测流程？这业已超过本文应承载的内容，同道们如非常感兴趣，可参阅相关文献与视频。
图3.检测三种不同数量SNP的DNA芯片
（4）那么，什么又是基因组选择呢？
顾名思义，基因组选择就是在分子水平对个体公牛和母牛的全套DNA的SNP（对应相关已知性状表现）进行分析，从而选择最优秀者。目前，在人工输精中对于公牛的选择业已从先前着重依赖后裔测定转变为主要依靠基因组检测来预测其女儿各项性状，如健康性状、产量性状和繁殖力性状等等。基因组选择技术的基本流程是：
A对拟培育公牛（子代公牛）父本和母本基于DNA标记技术进行选择；
B在拟培育公牛（子代公牛）被选父本和母本达到性成熟后进行实际参配或制作体外人工受精胚胎；
C对落地子代公牛或体外人工受精胚，都可以通过DNA标记技术来分析其各种性状（期望的和不期望的）。基因组选择技术可以让育种公司检测成千上万头公牛，而不是通过先前传统的后测测定选择技术来评估区区几千头公牛。现在很多基因组选择公牛不必等待其后代表现结果，均可以作为父本在市场上广泛销售。因此，经基因组选择技术遴选出来的优秀种公牛也称“基因组验证公牛”。
基因组选择技术的可靠性究竟如何？相信这是同道们最关心的问题，我们用表1来阐明。显而易见，基因组选择各性状的可靠性远远超过父母系谱性状平均值的可靠性。尽管目前基因组选择各性状可靠性稍逊于后裔测定选择各性状可靠性，但基本可以满足生产牛群对遗传育种改良工作的需要。并且随着时间推移，对应各性状表现SNP积累的信息愈加丰富，则基因组选择各性状可靠性会进一步提高。
表1. 基因组选择各性状可靠性与父母系谱性状平均值的比较
具有畜牧专业本科毕业背景的同道们一定非常熟悉图4的遗传进展计算公式。从公式中可以看出，遗传进展受选择强度、选择准确性（可靠性）、世代间隔和遗传变异性四因子影响。应用基因组选择技术无疑可以影响其中的三个因子，即：选择强度、选择准确性和世代间隔。以下分述之。
（1）选择强度
奶牛遗传育种学对选择强度的定义是：以群体某性状标准差为单位的选择差；而选择差的概念则是：留种群体某性状表型均值与群体表型均值之差。我们不必拘泥于这些文字，可以简单地理解为“百里挑一”即可；表2对此做了进一步说明。一般而言，后裔测定选择技术可以做到“十里挑一”至“百里挑一”之间，对应于选择强度1.76～2.67范围；而应用基因组选择技术至少可以做到“万里挑一”以上，其选择强度自然亦会超过3.90。表2选择强度数值应理解为：对应某性状选择差绝对值与群体某性状平均值相差标准差的数量。
表2.留种数量占全群比例对选择强度的影响
（2）选择准确性（可靠性）
眼下基因组选择技术的准确性（可靠性）基本可达到逾75%，除后裔测定选择技术外，远高于其它选择技术，如常用的父本和母本系谱平均值选择技术。
（3）世代间隔
世代间隔指的是其后代出生时，父本和母本的平均年龄。利用基因组选择技术可以减少世代间隔。经过基因组检测的精英小母牛，在6～8月龄时通过活体采卵、体外受精和胚胎移植等一系列现代先进繁殖技术生产下一代，因此得到的无论是公犊还是母犊，均可以减少世代间隔。故而，公牛的世代间隔从过去的7年缩短为2.5年，而母牛的世代间隔亦从4年缩短至2.5年。并且基因组选择还加快了一些重要经济性状，如女儿怀孕率、生产寿命以及体细胞数评分的改良效果。因此，奶牛场基于从每一次怀孕中获取更多经济效益的考虑，使用基因组验证青年公牛冻精显然优于使用经后裔测定选择验证的成年公牛冻精。
图4.遗传进展计算公式
应用奶牛基因组选择技术遴选优秀育种公牛是否即将有可能大部分取代逾40年的后裔测定选择技术遴选优秀育种公牛？回答应该是肯定的，因为基因组选择技术提供了更准确的幼年公牛的遗传信息。不过，后裔测定选择技术仍会在一定范围内继续使用，藉以对相关性状资料进行补充和校正；同时对经基因组验证优秀幼年公牛的表现进行验证与背书。尽管无后裔测定数据的基因组验证公牛销售冻精比例已经从2008年的10%上升到2018年的60%以上，但在与基因组验证遴选的优秀年轻公牛竞争中，有后裔测定结果的传统验证公牛仍然很受欢迎。这也许是由于传统验证公牛可以提供大量关键且可靠性高的数据，而这些数据又便于准确地评估该传统验证公牛是否有必要进行广泛使用。基因组选择技术遴选优秀种公牛目前仍在全力普及推广，未来其准确性（可靠性）也会会更高；随着可见的遗传改良进展明显提升，基因组验证遴选优秀年轻公牛的竞争力自然也会有所提高。然而，在未来可以预见的依然是：后裔测定选择技术还会持续提供足够的传统验证公牛来满足市场需求。此外，一种被误解的观点是基因组选择技术会取代DHIA牛奶检测。这是错误的观点，因为基因组选择技术的基础是基于表现型和基因型的对应关系。因此，基因组选择技术需要准确的数据采集来建立参考群体和用于校正基因组选择技术结果，并且不断地更新参考群体。因为参考群体的大小决定了遗传预测的准确性，所以这些包含了奶量记录、体型结构评定以及健康性状等大量广泛数据被及时准确录入DHIA系统至关重要。目前美国奶牛育种协会（CDCB）正在积极进行传统遗传评估，之前这项工作是由美国农业部承担。如果今后万一后裔测定选择技术被终止，美国奶牛育种协会也能够确保继续获得用于基因组选择技术所需要的数据。
应用基因组选择技术遴选优秀种公牛存在哪些生产实际问题？基因组选择技术遴选优秀种公牛也为育种公司带来一些现实问题。得到携带优良基因的胚胎或新生犊牛的成本要远高于得到一个仅有较好血统犊牛的成本；基因组验证遴选优秀公牛在其女儿还没有完成第一个泌乳期时就被更优秀的基因组验证遴选新公牛所取代。此外，年轻公牛所产生的有效精子数量仅是成年公牛（5岁以上）的35%-50%。因此，育种公司需要添置更多硬件设施，如牛舍、隔离检疫场地和精液采集设施及器具，来完成相当于两倍以上采集传统验证公牛精液的工作量。
我们下期继续讨论本系列文章的第三篇：“应用基因组检测技术可否提高奶牛群体繁殖效益？”
